DE3615876A1 - Process and apparatus for analysing gases - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Messen von physikalischen und/oder chemischen Größen, insbesonde re zum Analysieren von Gasen über Sensoren sowie einer Vor richtung zum Durchführen des Verfahrens.The invention is directed to a method for measuring of physical and / or chemical quantities, in particular re for analyzing gases via sensors and a pre direction for performing the method.
Im Zuge der Untersuchung auf Unverträglichkeit von Abgasen gegenüber der Umwelt sind eine Reihe von Gasanalyse- und -überwachungsverfahren und die dazugehörigen Geräte be kannt geworden. Dabei ist es bekannt, Gase von Sensoren analysieren zu lassen, die gegenüber spezifischen Gasbe standteilen bekannter Natur Empfindlichkeiten aufweisen und diese daher für den Benutzer kenntlich machen können.In the course of the examination for intolerance to exhaust gases are a number of gas analysis and environmental surveillance procedures and the associated equipment became known. It is known gases from sensors to let analyze the specific gasbe components of known nature have sensitivities and therefore can make it recognizable to the user.
Derartige Gassensoren haben aber den Nachteil, daß sie nicht mit vorbestimmbaren Eigenschaften und Meßtoleranzen herstellbar sind, so daß die Sensoren entweder geeicht wer den müssen oder aber die Meßwerte nur eine Bandgenauigkeit aufweisen können, die häufig den gewünschten Anforderungen nicht mehr entspricht.Such gas sensors have the disadvantage that they not with predeterminable properties and measurement tolerances can be manufactured so that the sensors are either calibrated the must or the measured values only a tape accuracy can often have the desired requirements no longer corresponds.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der Gase über austauschbare Sensoren analysierbar sind, d.h. mit denen erreicht werden kann, daß die Meßwerte be liebig reproduzierbar und sehr genau sind, wobei eine wei tere Aufgabe der Erfindung darin besteht, eine entsprechen de Vorrichtung und Einrichtung zur Durchführung dieses Ver fahrens bereitzustellen, ohne daß die Erfindung auf die spezielle Art der Gasanalyse beschränkt wäre.The object of the invention is to provide a solution with the gases can be analyzed using interchangeable sensors, i.e. with which can be achieved that the measured values be are reproducible and very accurate, with a white Another object of the invention is to meet one de Device and device for performing this Ver provide driving without the invention to the special type of gas analysis would be limited.
Bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die se Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine der Anzahl der zu messenden Größen bzw. Bestandteile ent sprechende Zahl von Sensoren eingesetzt wird, wobei jeder Sensor eine Meßgröße für jede der zu ermittelnden Größen liefert, diese Anzahl von Meßgrößen von jedem Sensor einem Rechner zugeführt wird und der Rechner aus der Summe der empfangenen Werte zu jeder Meßgröße einen entsprechenden Meßwert errechnet und zur weiteren Verarbeitung zur Verfü gung stellt.In a method of the type described at the beginning, the se object achieved according to the invention in that a the number of quantities or components to be measured speaking number of sensors is used, each Sensor a measured variable for each of the variables to be determined provides this number of measured variables from each sensor Computer is fed and the computer from the sum of the corresponding values received for each measured variable Measured value calculated and available for further processing supply.
Die Erfindung macht sich zu Nutze, daß Sensoren Konzentra tionen von Gasen messen können auch dann, wenn sie für die se nicht ihre Hauptempfindlichkeit aufweisen, sondern bei spielsweise eine entsprechende Querempfindlichkeit. Sind z.B. bei einem Abgas fünf Komponenten zu messen, so sind fünf spezifische Sensoren vorgesehen, die allerdings für jeden Gasbestandteil einen Wert an den zugehörigen Rechner liefern, selbst dann, wenn dieser Wert von einem entspre chenden Sensor gar nicht erfaßbar ist und daher von dem entsprechenden Sensor mit "0" angegeben wird. The invention makes use of the fact that sensors concentrate ions of gases can also measure if they are for the they do not show their main sensitivity, but at for example, a corresponding cross sensitivity. are e.g. five components have to be measured for one exhaust gas five specific sensors are provided, but for each gas component has a value on the associated calculator deliver, even if this value corresponds to one is not detectable at all and therefore by the corresponding sensor is specified with "0".
Durch die Verfahrensweise ist es möglich, daß die von je dem Sensor ermittelten Werte vom Rechner über ein lineares Gleichungssystem mit einer Anzahl von Unbekannten entspre chend der Anzahl der zu messenden Werte verwertbar ist, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht. Gegenüber ande ren bisher bekannten Ermittlungsarten hat die Erfindung den Vorteil, daß durch die möglichen linearen Gleichungs systeme sehr einfache Rechner und damit sehr wirtschaft lich herzustellende Meßeinheiten möglich gemacht werden.By the procedure, it is possible that the of each values determined by the computer via a linear Equation system with a number of unknowns corresponds according to the number of values to be measured, as the invention also provides. Opposite others ren previously known types of investigation has the invention the advantage that the possible linear equation systems very simple computers and therefore very economical Lich measuring units to be made possible.
In Weiterentwicklung sieht die Erfindung vor, daß jeder Sensor zur Normierung mit einem eigenen Prozessor ausge rüstet und in der Gebrauchslage der Prozessor mit den Meß daten anderer Sensoren in der Vorrichtung versorgt wird.In further development, the invention provides that everyone Standardization sensor with its own processor equips and in the use position the processor with the measuring data from other sensors in the device is supplied.
Diese Verfahrensweise macht es möglich, daß jeder Sensor mit einer eigenen Elektronik ausrüstbar ist, was bedingt, daß die Sensoren werkseitig nicht mehr vorjustiert werden müssen, da die zugeordneten Prozessoren diese Aufgabe im Einsatz direkt übernehmen können.This procedure makes it possible for any sensor can be equipped with its own electronics, which requires that the sensors are no longer pre-adjusted at the factory must, because the assigned processors in the task Can take over the assignment directly.
Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens vor, die sich dadurch auszeich net, daß sie mit einer der zu messenden Größen entsprechen den Anzahl von Sensoren ausgerüstet ist, wobei die Senso ren wirkmäßig mit einem Rechner in Verbindung stehen und dieser Rechner für jede zu messende Größe einen Meßwert zur Verfügung stellt.The invention also provides a device in particular for Implementation of the procedure, which is characterized by net that they correspond to one of the sizes to be measured the number of sensors, the Senso are effectively connected to a computer and this computer one measurement value for each quantity to be measured provides.
Diese Vorrichtung kann beispielsweise von einem Meßkoffer gebildet sein, der von dem Benutzer jederzeit mitgeführt werden kann. Mit einem derartigen Meßkoffer lassen sich beispielsweise die Abgaswerte von Heizanlagen ebenso schnell ermitteln, wie die Abgaswerte von Auspuffanlagen, von Kraftfahrzeugen od. dgl. mehr. Sind die Sensoren nicht gegen Gase geeicht, sondern gegen Inhalte von Flüssigkei ten, so können Gewässerproben entsprechend analysiert wer den, das Kondensat bei Heizanlagen, die Bestandteile von Heizöl, Benzinen od. dgl.This device can, for example, from a measuring case be formed, carried by the user at all times can be. With such a measuring case can be for example, the exhaust gas values of heating systems as well quickly determine how the exhaust gas values of exhaust systems, of motor vehicles or the like. More. Are not the sensors against gases, but against the contents of liquids water samples can be analyzed accordingly the, the condensate in heating systems, the components of Heating oil, petrol or the like
Die Erfindung sieht auch vor, daß die Werte eines Sensors für andere, für ihn unspezifische Meßgrößen, die er an ei nen Rechner weiterliefert, auch dem Wert "0" entsprechen können. Wie weiter oben zum Verfahren bereits ausgeführt, kompensieren die Sensoren ensprechend der Anzahl der zu messenden Größen innerhalb der Vorrichtung auch dann ent sprechende Meßfehler, wenn sie dem System den Wert "0" lie fern, da alle Meßgrößen in Form von linearen Gleichungs systemen über die zugeordneten Rechner ermittelbar sind.The invention also provides that the values of a sensor for other, for him unspecific measurands, which he sends to a NEN computer, also correspond to the value "0" can. As already explained above regarding the method, compensate the sensors according to the number of measuring quantities within the device speaking measurement errors, if they gave the system the value "0" far, since all measurands in the form of linear equations systems can be determined via the assigned computers.
Die Erfindung sieht auch vor, daß jeder Sensor mit einem eigenen Prozessor ausgestattet ist, wobei es besonders vor teilhaft ist, wenn jeder Sensor einen meßgrößenspezifi schen Prozessor aufweist und dieser Prozessor seiner Spezi fikation entsprechende Werte der anderen Sensoren aufnimmt und nachfolgend verarbeitet.The invention also provides that each sensor with a own processor is equipped, with particular emphasis on it is particularly advantageous if each sensor has a measurement size specific processor and this processor of its spec the corresponding values of the other sensors and subsequently processed.
Mit der letzten Maßnahme läßt sich der Aufwand an Rechner- Hardware vergleichsweise gering halten, da der Prozessor jedes Sensors bereits eine Fülle von Rechenfunktionen über nehmen kann.With the last measure, the expenditure on computer Keep the hardware comparatively low because of the processor every sensor already has a wealth of computing functions can take.
Insbesondere kann jeder Prozessor eines jeden Rechners ei ne digitalisierte Information an einen weiteren Rechner liefern, was die Gesamtauswertung wieder um ein wesentli ches erleichtert.In particular, each processor of each computer can egg ne digitized information to another computer deliver what the overall evaluation is again an essential ches relieved.
Anders als bei bekannten Systemen, läßt sich mit der Erfin dung eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit dadurch er zielen, daß allen Sensoren über einen Temperaturmesser ei ne weitere Information zugeführt wird und mit Hilfe dieser Temperaturmessung eine Temperaturkompensation über die je weiligen Prozessoren erfolgt.Unlike with known systems, the Erfin This increases the accuracy of measurement aim that all sensors via a temperature meter ne further information is supplied and with the help of this Temperature measurement a temperature compensation over the each because of the processors.
Die zusätzliche Temperaturmessung versetzt den Benutzer ei ner derartigen Vorrichtung in die Lage, von Temperaturein flüssen möglichst unabhängig zu sein, dies betrifft einmal die Umgebung seiner Meßstelle ebenso wie die Temperatur der zu messenden Fluide, wobei mit dem Ausdruck Fluide so wohl Gase als auch Flüssigkeiten gemeint sein können.The additional temperature measurement moves the user Such a device is capable of temperature to be as independent as possible, this affects once the surroundings of its measuring point as well as the temperature of the fluids to be measured, with the expression fluids so gases and liquids can be meant.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt inFurther advantages, details and features of the invention result from the following description as well based on the drawing. This shows in
Fig. 1 die Seitenansicht auf einen Sensor nach der Erfin dung, Fig. 1 is a side view of a sensor according to the dung on OF INVENTION,
Fig. 2 die Aufsicht auf den Sensor, Fig. 2 shows the top view of the sensor,
Fig. 3 die räumliche Darstellung einer Elektronik-Platine zum Aufsetzen auf den Sensor nach Fig. 1, Fig. 3 shows the spatial view of an electronic circuit board to be placed on the sensor of FIG. 1,
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Meßelektronik nach der Erfindung, Fig. 4 is a block diagram of meter electronics according to the invention,
Fig. 5 eine mögliche Schaltungsausgestaltung der Erfindung sowie in Fig. 5 shows a possible circuit configuration of the invention and in
Fig. 6 eine abgewandelte Schaltungsgestaltung nach der Erfindung. Fig. 6 shows a modified circuit design according to the invention.
Der allgemein mit 1 bezeichnete Sensor nach Fig. 1 weist eine Meßmembran 2 auf seiner Unterseite und Montagestifte 3 auf, mit denen er an ein Analysegerät anschließbar ist, worauf es nach der vorliegenden Erfindung nicht näher an kommt. The sensor generally designated 1 according to FIG. 1 has a measuring membrane 2 on its underside and mounting pins 3 , with which it can be connected to an analysis device, which the present invention does not relate to.
Auf seiner der Meßmembran abgewandten Seite trägt der Sen sor 1 im Beispiel nach den Fig. 1 und 2 eine Anschlußelek tronik 4, die strichpunktiert umrahmt ist und die im fol genden mit A, B und C bezeichneten Anschlüsse 5, ein Gehäu se 6 und einen Stecker bzw. eine Kupplung 7 trägt. Über die Anschlüsse A bis C werden die von der Meßmembran 2 und den entsprechenden Meßfühlern ermittelten Meßwerte aufge nommen, umgesetzt und weitergegeben. Die Montageplatine ist im Falle der Fig. 1 mit 8 bezeichnet. Sie kann als Kreisscheibe (s. Fig. 2) ausgebildet sein oder aber auch als übliche gedruckte Schaltung, wie dies in Fig. 3 darge stellt ist. In diesem Falle ist die Platine mit 8 a bezeich net. Sie trägt wenigstens einen Mikroprozessor 9, einen Stecker 7 a und weitere Elektronik-Bauteile 10 bis 12, wobei das Elektronikbauteil 12 als Temperaturfühler zur Sensorkompensation ausgestaltet ist.On its side facing away from the measuring diaphragm, the sensor 1 in the example according to FIGS. 1 and 2 carries a connector electronics 4 , which is framed by a dash-dotted line and the connectors 5 , a housing 6 and one designated in the fol lowing A , B and C. Plug or a coupling 7 carries. Via the connections A to C , the measured values determined by the measuring membrane 2 and the corresponding sensors are taken up, implemented and passed on. The mounting board is designated 8 in the case of FIG. 1. It can be designed as a circular disk (see FIG. 2) or as a conventional printed circuit, as shown in FIG. 3. In this case the board is labeled 8 a . It bears at least one microprocessor 9, a plug 7 a and other electronic components 10 to 12, wherein the electronic component 12 is designed as a temperature sensor for sensor compensation.
In Fig. 4 ist ein mögliches Blockschaltbild dargestellt, wobei dem mit 1 bezeichneten Block für den Sensor der bereits zuvor erwähnten Temperaturfühler 12 zur Kompen sation zugeordnet ist. Der mit 13 bezeichnete und folgende Block dient als Meßverstärker bzw. zur Sensoranpassung, der mit 14 bezeichnete Wandler kann beispielsweise ein U/F-Wandler, d.h. ein Spannungs/Frequenzwandler sein oder A/D-Wandler od. dgl. Mit 15 ist die Schnittstelle be zeichnet. Diese kann asynchron seriell, synchron seriell, binär oder analog gestaltet sein oder in anderer Weise. In Fig. 4, a possible block diagram is shown, wherein the block labeled 1 for the sensor of the previously mentioned temperature sensor 12 is assigned for compensation. The block labeled 13 and following serves as a measuring amplifier or for sensor adaptation, the converter labeled 14 can be, for example, a U / F converter, ie a voltage / frequency converter or A / D converter or the like. With 15 the interface designated. This can be designed asynchronously serial, synchronously serial, binary or analog or in some other way.
Grundsätzlich sind eine Reihe von Schaltungen möglich, wobei zwei Varianten in den Fig. 5 und 6 wiedergegeben sind. Die Schaltungselemente sind in den dargestellten Beispielen strichpunktiert eingerahmt. Die Rahmen sollen im wesentlichen den Symbolen des Blockschaltbildes gemäß Fig. 4 entsprechen, wobei im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 die Blöcke 14 und 15 zu einem Block zusammengefaßt sind, während beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 die Blöcke 13 und 14 zusammengefaßt sind. Die entsprechenden Bezugsziffern befinden sich innerhalb der strichpunk tierten Rahmen.In principle, a number of circuits are possible, two variants being shown in FIGS. 5 and 6. The circuit elements are framed in dash-dotted lines in the examples shown. The frames should essentially correspond to the symbols of the block diagram according to FIG. 4, blocks 14 and 15 being combined to form a block in the exemplary embodiment according to FIG. 5, while blocks 13 and 14 are combined in the exemplary embodiment according to FIG. 6. The corresponding reference numbers are within the dash-dotted frame.
Im Falle der Fig. 4 ist der mit 16 bezeichneten Schnitt stelle ein Mikroprozessor 17 bzw. 9 vorgeschaltet, der als ROM, PROM oder auch als EPROM ausgeführt sein kann, je nach Ausbaustufe des Systemes. Dabei soll der Mikroprozes sor 17 nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 mit einem Analogausgang ausgerüstet sein. Zur Sensorkompensation ist der Temperaturfühler 12 über eine Leitung 18 und einen Verstärker 19 dem Mikroprozessor 17 zugeschaltet.In the case of FIG. 4, the interface labeled 16 is preceded by a microprocessor 17 or 9 , which can be designed as a ROM, PROM or also as an EPROM, depending on the configuration level of the system. The microprocessor 17 according to the embodiment of FIG. 5 should be equipped with an analog output. For sensor compensation, the temperature sensor 12 is connected to the microprocessor 17 via a line 18 and an amplifier 19 .
In Abwandlung hierzu zeigt Fig. 6 die Möglichkeit, eine Spannungs/Frequenzwandlung vorzunehmen, der mit 17 a be zeichnete Mikroprozessor, der der Schnittstelle 16 a vorge schaltet ist, ist daher mit einem Zählereingang versehen. Auch der Temperaturfühler beaufschlagt zunächst einen U/F-Wandler 20 und dann erst den Mikroprozessor 17 a.In a modification of this, FIG. 6 shows the possibility to carry out a voltage / frequency conversion of the 17-a be recorded microprocessor of the interface 16 a upstream, is therefore provided with a counter input. The temperature sensor also acts first on a U / F converter 20 and only then on the microprocessor 17 a .
Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Dies gilt sowohl für die schaltungstechnische Auslegung als auch die körperliche Gestaltung des Sensors.Of course, the described embodiments of the Invention to change in many ways without the To leave basic ideas. This applies to both circuit design as well as the physical Design of the sensor.
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